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隐伏溶洞与隧道间安全距离及其智能预测模型研究

赖永标  
【摘要】:当隧道周围有隐伏溶洞存在时,如何合理确定两者间安全距离是个相当棘手技术难题,它关系到隧道能否顺利施工和安全运营,并且在一定程度上决定了隧道长度及埋深,两者距离越小,隧道避绕溶洞的距离越小,隧道越短,工程造价就越低,但隧道失稳的危险性也越大。论文针对隐伏溶洞与隧道间的安全距离及其智能预测模型开展系统研究,主要进行了以下几方面的研究工作: (1)通过收集西南地区岩溶隧道资料以及宜万隧道的调研,分析了溶洞发育特征、溶洞尺寸和空间展布,总结了隧道工程中常见的3种隐伏溶洞与隧道的位置关系。在此基础上,建立了大跨度隐伏溶洞—隧道分析模型和中小跨度隐伏溶洞—隧道分析模型。 (2)分析了大跨度隐伏溶洞与隧道间岩层失稳机理,采用弹性粱、板理论,分别对隐伏溶洞位于隧道顶部、隧道底部和侧部时各个力学模型的受力状态进行分析,推导了隐伏溶洞与隧道间安全距离计算公式,并用工程实例进行了验证,为岩溶区隧道工程的稳定性评价提供了理论依据。 (3)提出了基于突变理论隐伏溶洞与隧道间安全距离研究方法,采用突变理论评价隐伏溶洞与隧道间岩层的稳定性,通过研究隐伏溶洞与隧道间岩层系统的总势能,建立岩层系统失稳的突变模型,分别推导出了隧道顶部隐伏溶洞、底部隐伏溶洞和前方隐伏溶洞时岩层突变失稳判据、失稳力学条件和安全距离计算公式,为岩溶区隧道工程设计和施工提供了理论依据。 (4)探讨了隐伏溶洞影响下隧道施工过程的模拟方法,在研究分析现有围岩稳定性判据基础上,提出了以隐伏溶洞与隧道间岩层能量突变和安全系数突变作为隐伏溶洞与隧道间的安全距离判据。分别基于解析解、模型试验和数值试验分析了影响隐伏溶洞与隧道间安全距离因素,最后确定了隐伏溶洞与隧道间安全距离数值试验的主要影响因素。 (5)建立了有限元数值试验模型,确定了影响隐伏溶洞与隧道间安全距离因素的取值范围和水平划分,采用均匀试验设计法,设计出30水平的隐伏溶洞与隧道安全距离数值模拟计算试验方案。 (6)提出了基于能量突变、二分法塑性区贯通和强度折减法安全系数突变的隐伏溶洞与隧道间安全距离数值模拟计算方法,采用均匀试验设计法设计出的实验方案进行了模拟计算,并对这三种方法进行了分析比较,发现基于能量突变隐伏溶洞与隧道间安全距离数值模拟计算结果更合理,得到了隐伏溶洞与隧道间安全距离与众影响因素的数据样本。 (7)提出基于SVM隐伏溶洞与隧道间安全距离预测方法,在MATLAB中编制相应的程序,用数值模拟计算所得数据作为SVM的样本进行学习训练,得到基于SVM隐伏溶洞与隧道间安全距离智能预测模型,并将该模型用于岩溶隧道实际工程,结果表明本文研究成果具有较高的可靠性,对隐伏溶洞与隧道间安全距离合理的选择具有重要的意义,并促进岩溶隧道施工和设计向智能化发展。


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